MENÜ MENÜ  

Charakterisierung poröser Membranen und ihre Anwendung in Membranreaktoren

Axel Tuchlenski

ISBN 978-3-89722-145-1
169 Seiten, Erscheinungsjahr: 1998
Preis: 40.00 €
Seit einigen Jahren ist ein zunehmendes Interesse an sogenannten multifunktionalen Reaktoren zu beobachten. Darunter versteht man die Integration verschiedener, neben der Reaktion ablaufender Verfahrensschritte in einem Apparat. Im Rahmen dieses Konzeptes bieten katalytische Membranreaktoren attraktive Möglichkeiten, den Ablauf einer chemischen Reaktion durch eine Kopplung mit selektiven Stofftransportprozessen gezielt zu beeinflussen. Bislang hat sich dieses Reaktorkonzept im großtechnischen Maßstab noch nicht etablieren können, da die gegenwärtig verfügbaren Membranen in der Regel nicht den gestellten Anforderungen gerecht werden. So besitzen poröse Membranen zwar hohe Permeabilitäten, jedoch sind ihre Selektivitäten vergleichsweise gering. Die Ausnutzung spezieller Transportmechanismen - z.B. Oberflächendiffusion oder Molsiebeffekte - kann in solchen Membranen mitunter zu verbesserten Trenneigenschaften führen. Vor diesem Hintergrund wird im Rahmen der Arbeit der Einsatz einer porösen "oberflächenselektiven" Membran in einem Membranreaktor untersucht. Im ersten Abschnitt steht die Beschreibung des transmembranen Stofftransports im Vordergrund. Hierzu wird zwischen den Diffusionsvorgängen in der Gas- und in der Sorbatphase der untersuchten Membran unterschieden. Es werden für jede der beiden Phasen Transportmodelle formuliert. Ausgehend vom Dusty-Gas-Modell (DGM) wird zunächst der Stofftransport durch die Poren der Membran behandelt. Anhand von stationären und dynamischen Diffusionsexperimenten lassen sich die Parameter dieses Transportmodells quantifizieren. Darüber hinaus kann der prädiktive Charakter des DGM verdeutlicht werden. Im Gegensatz dazu ist die Beschreibung des Stofftransports in der adsorbierten Phase der Membran weitaus schwieriger. Es wird ein ausgeprägter Einfluß thermodynamischer und kinetischer Wechselwirkungen beobachtet. Zur Modellierung wird der Stefan-Maxwell-Formalismus herangezogen. Stationäre und dynamische Diffusionsexperimente zeigen in diesem Zusammenhang, daß der Sorbatphasentransport von Einzelstoffen mit dem verwendeten Modell sehr gut zu beschreiben ist. Problematischer ist die Beschreibung des Stofftransports von Mehrstoffgemischen. Dies ist insbesondere auf Konkurrenzeffekte bei der Adsorption zurückzuführen ist. Insgesamt wird deutlich, daß sich die Trenneigenschaften der Membran durch Transportprozesse in der Sorbatphase verbessern. Im zweiten Abschnitt wird die Kopplung einer gleichgewichtslimitierten Reaktion mit einer selektiven Stofftrennung in einem Membranreaktor behandelt. Zur Beschreibung der gekoppelten Teilprozesse wird ein vereinfachtes theoretisches Modell formuliert, das sich durch eine Reihe von Experimenten hinreichend gut verifizieren läßt. Die gemessenen Umsätze liegen scheinbar oberhalb des thermodynamischen Gleichgewichts. Eine theoretische Analyse illustriert jedoch, daß die beobachtete ‹berschreitung des Gleichgewichts weniger auf die selektive Produktabtrennung sondern vielmehr auf Verdünnungseffekte zurückzuführen ist. Insgesamt muß geschlußfolgert werden, daß dieses Reaktorkonzept bei zu geringer Membranselektivität keine nennenswerten Vorteile gegenüber konventionellen Verfahren bringt.

Currently, the use of multifunctional reactors is of increasing interest in research and industry. In such reactors at least one unit operation occurs in parallel to the chemical reaction. Especially catalytic membrane reactors are attractive candidates to combine a reaction with a separation process. However, the industrial application of membrane reactors is still exceptional due to the lack of suitable membranes. Porous membranes exhibit high permeabilities but suffer from low selectivities. The incorporation of alternative transport mechanisms, e.g. surface diffusion or molecular sieving effects, might overcome these limitations. The objective of this work is to evaluate the application of porous surface selective membranes in membrane reactors. The first part of this work is focused on modeling the transmembrane mass transfer. As mass transfer occurs in the gas phase and in the adsorbed phase of the membrane proper transport equations require a clear distinction between both phases. Adopting the dusty gas model (DGM) to describe mass transfer in the gas phase and a generalized Stefan-Maxwell (GMS) theory to account for surface diffusion an overall transport model was derived. In the absence of surface effects steady-state and dynamic mass transfer of non-adsorbable binary gas mixtures was described satisfactorily by the DGM. To quantify surface diffusion transient diffusion experiments were carried out. Comparing experimental data and simulations a good agreement was obtained for single component surface diffusion. The predictive capabilities of the GMS approach have also been evaluated for binary component surface diffusion in the co- and counter-sorption mode. It was found that the accuracy of the model prediction suffers mainly from uncertainties in multicomponent adsorption equilibrium. However, it can be concluded that surface driven diffusion is selective and might improve membrane separation properties. The second part of this work deals with the coupling of an equilibrium limited reaction with a selective separation process using a membrane reactor. In order to describe the interacting processes of chemical reaction and transmembrane separation a simplified reactor model was derived and verified in a series of experiments. Apparently, the measured conversion rates exceed chemical equilibrium. However, a theoretical analysis illustrates that the observed reactor performance is not solely due to membrane separation but also due to dilution effects. The conclusion is that membrane reactors require high selective membranes. Applying low selective membranes the considered multifunctional reactor concept has no advantage compared to fixed-bed operations.

Keywords:
  • Stofftransport in porösen Membranen
  • Stefan-Maxwell-Transportgleichung
  • Oberflächendiffusion
  • Dehydrierung von Cyclohexan zu Benzol
  • Umsatzsteigerung durch Verdünnungseffekt

Kaufoptionen

40.00 €
Versandkostenfrei innerhalb Deutschlands


Wollen auch Sie Ihre Dissertation veröffentlichen?